مقاله فناوری نانو در ساخت نانوسنسورهای گازسنجی در معادن زغال سنگ پروده طبس

بخشی از مقاله

چکیده

متان یکی از مهمترین گازهای گلخانه ای بوده که 20 برابر از دی اکسید کربن قوی تر است این مقاله با هدف شناسایی کاربردهای فناوری نانو در ساخت نانوسنسورهای گازسنجی در معادن زغالسنگ پروده طبس و کاربرد نانوذرات میپردازد. در هنگام استخراج زغالسنگ، باید همیشه اطمینان حاصل شود که متان موجود در معادن زغالسنگ، به سطح خطرناکی نرسد. لذا بر اثر تهویه در معادن زغالسنگ، مقدار بسیاری از متان موجود در زغال سنگ از معدن خارج و وارد اتمسفر میشود. اگر چه عیار مجاز متان کم میباشد - به طور معمول کمتر از 1 % - ، با تهویه مناسب باید عیار آن را فناوری نانو در حد استاندارد نگه داشت.

بدین منظور با اقدامات فنی برای جلوگیری از تجمع و انفجار گاز متان در شبکه تونلهای گازسنج زیرزمینی ، تخلیه گازهای بین لایهای، حفر چالهای بلند برای گازکشی از لایههای زغالی به منظور انطباق با طراحی نانو ذرات معادن مدرن زغالسنگ و کنترل گازخیزی با تهویه صحیح میزان گاز متان را در معادن زغالسنگ کاهش میدهند. برای تهویه معدن تونلهای معدن زغالسنگ طبس و کارگاههای استخراج پس از بررسیهای انجام شده، نانو سنسورهایی باید در تقاطع تونلها و در کنار ماشین برش و درون کارگاه می بایست نصب شود که تعداد آنها به کارگاه ها و تقاطع های مهم بستگی دارد.

تمامی پروده طبس اطلاعات حاصل از نانوسنسورها به مرکز سنجش گاز ارسال میشود. از آنجا این نانو سنسورها کنترل شده و اطلاعات بدست آمده پس از بازنگری ، به مرکز تهویه و گاز کشی جهت ادامه عملیات ارسال می شود. در صورت نیاز میزان تهویه افزایش و در  صورت عیار پایین گاز متان، از میزان تهویه کاسته شده تا از نظر اقتصادی هزینه تهویه بهینه شود.        

-1مقدمه

معادن زغالسنگ پروده طبس، در فاصله 85 کیلومتری جنوبغربی شهرستان طبس و در وسعتی معادل 1200 کیلومتر مربع و در استان خراسانجنوبی واقع شده است. ناحیه پروده، با وسعت 1200 کیلومتر مربع و ذخیره زمینشناسی 1/1 میلیارد تن زغالسنگ کک شو، یکی از چهار ناحیه حوزه زغالی طبس و بزرگترین حوزه زغالسنگ ککشو ایران محسوب میگردد.

معادن پروده طبس دارای گازخیزی بسیار بالایی میباشند.[1] فناوری نانو، فناوری تولید مواد و ابزارها در اندازههای مولکولی و اتمی و همچنین در دست گرفتن کنترل این ساختهها و استفاده از خصوصیاتی که در این ابعاد تولید میشوند، میباشد. حسگر، به طورکلی ابزارهایی هستند که تحت شرایطی خاص از خود واکنشهای پیشبینی شده و مورد انتظار نشان میدهند.

در طراحی یک نمونه حسگر، دانشمندان علوم مختلف، مانند بیوشیمی، الکترونیک، شاخههای مختلف شیمی- فیزیک حضور دارند. قسمت اصلی یک حسگر شیمیایی یا زیستی، عنصر حسگر آن میباشد. عنصر حسگر در تماس با یک آشکارساز است. این عنصر، مسئول شناسایی و پیوند شدن با گونه مورد نظر در یک نمونه پیچیده است. سپس، آشکارساز سیگنالهای شیمیایی را که در نتیجه پیوند شدن عنصر حسگر با گونه مورد نظر تولید شده است را به یک سیگنال خروجی قابل اندازهگیری تبدیل میکند.

-2پیشینه تحقیقات انجام گرفته

لونارزوسکی - 1998 - 1، یک مدل آزمایشی برای تخمین میزان نشر متان در مراحل مختلف از عمر یک معدن زغالسنگ ارائه کرد.[2] به منظور انطباق با طراحی معادن مدرن زغالسنگ، گازخیزی معادن زغال سنگ با استفاده از تهویه و به طور صحیح کنترل می شود. زارعی درمیان و همکاران - - 2014، تحقیقاتی در مورد گاز متان در معادن پروده طبس انجام داده و استفاده از اکسیدکننده معکوس را پیشنهاد دادند. در اکسیدکننده معرفی شده، هر دو سیستم کاتالیستی و حرارتی عمل میکنند.

اگر چه کاتالیزور در محیط تبادل گرما اجازه میدهد که واکنش در دماهای پایینتر رخ دهد، برگشت اکسیدکننده جریان تنها برای از بین بردن متان، بدون بازیابی حرارت مورد استفاده قرار میگیرد و حرارت حاصل از احتراق، میتواند برای تولید انرژی حرارتی - برای گرم نمودن اتاق های معدن و یا تولید آب گرم مصرفی معدن - ، در مجموعه معادن پروده استفاده گردد.

دستگاه کروماتوگراف گازی، تجزیه و تحلیل گازی را انجام داده و با ارائه یک راه حل کامل تحلیلی برای کروماتوگرافی گاز و تجزیه و تحلیل نمونه گاز در معادن زغالسنگ منجر می شود. اجرای سیستم مدیریت ایمنی و بهداشت محیط زیست، باعث کاهش هزینهها و مخاطرات و افزایش سودآوری و ایمنی میشود.[4] به نظر میرسد با توجه به شرایط زمینشناسی و معدن کاری در منطقه پروده طبس، روش چالهای متقاطع روشی مناسب برای استحصال گاز متان در این معدن باشد و با توجه به عدم شروع کار این روش در معدن مورد اشاره میبایست در آینده در خصوص نتایج کار عملی آن تحقیقات بیشتری صورت گیرد.

برای لایههای زغالسنگ با مقدار گاز متان بالا و دارای خطرات بیشتر، از سیستمهای زهکشی و استفاده از عملیات گازکشی متان قبل از استخراج توصیه میگردد. متان با عیار و مقدار متوسط میتواند به عنوان سوخت صنعتی در معدن یا شهرهای اطراف استفاده گردد.[5] همچنین زارعی درمیان و همکاران - - 2017، به معرفی رگرسیون درختی و بررسی تأثیر بکارگیری سیستم گاززدایی در میزان تصاعد متان در معدن زغال سنگ مکانیزه پروده I طبس به روش CART پرداختند و یک الگوریتم محاسباتی آماری ارائه دادند که پیشبینیها را به شکل یک درخت تصمیم ایجاد میکند.

-1-2 گاز خیزی منطقه پروده I

آزمایشهای تعیین میزان گاز خیزی، در لایه زغالی پروده یک، و سنگهای در برگیرنده آن انجام شده است. این آزمایشها نشان میدهد که میزان گاز تا عمق 300 - 250 متری به شدت افزایش و به حدود 19 متر مکعب بر تن رسیده است. پس از آن ثابت شده که میزان گاز موجود در لایه ها تا عمق 500 متری در محدوده 3 - 5 متر مکعب بر تن افزایش می یابد. با افزایش عمق میزان هیدروکربورها افزایش یافته و از میزان نیتروژن - N2 - و دی اکسیدکربن - - CO2 کاسته میشود. تأثیر افزایش هیدروکربورها، گسترش محدوده قابل انفجار مخلوط گازی است.

-3روش انجام مطالعه

جهت عملیات گازسنجی، نانوسنسورهایی مورد استفاده - ایده ال - باید خصوصیات زیر را داشته باشند:

-1 سیگنال خروجی باید متناسب با نوع و میزان متان هدف - گاز موجود در معادن زغالسنگ - باشد.

-2سرعت پاسخدهی خوبی داشته باشد.

-3بصورت اختصاصی و هدفمند نسبت به گاز مورد نظر عمل کند.

-4قدرت تمایز و گزینش پذیری بالایی داشته باشد.

-5 صحت و دقت بسیار بالایی داشته باشد.

با پیشرفت علم در دنیا و پیدایش تجهیزات الکترونیکی و تحولات عظیمی که در چند سال اخیر به وجود آمده، نیاز به ساخت حسگرهای دقیق تر، کوچکتر و دارای قابلیتهای بیشتر احساس شد. امروزه از حسگرهایی با حساسیت بالا استفاده میشود. به طوریکه در برابر مقادیر ناچیزی از گاز، گرما یا تشعشع حساساند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها، به کشف مواد و ابزارهای جدید نیاز دارد. نانو حسگرها - نانوسنسورهای گازسنجی معادن - ، حسگرهایی در ابعاد نانومتر هستند که به خاطر کوچکی و نانومتری بودن ابعادشان، از دقت و واکنش پذیری بسیار بالاتری برخوردار بوده، به طوری که حتی نسبت به حضور چند اتم از یک گاز در معادن زغالسنگ هم عکسالعمل نشان میدهند.

حسگر، یک وسیله الکتریکی است که تغییرات فیزیکی- شیمیایی را اندازهگیری کرده و آنها را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل مینماید. حسگرها در واقع ابزار ارتباط ربات با دنیای خارج و کسب اطلاعات محیطی- داخلی میباشند، یا به طور کلی ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خود واکنشهای پیشبینی شده و مورد انتظار نشان میدهند. نانوحسگرها بر اساس نوع ساختارشان، به سه دسته نقاط کوانتومی، نانو لولههای کربنی و نانو ابزارها تقسیمبندی میشوند.

نقاط کوانتومی به عنوان بلورهای نیمه هادی کوچک تعریف میشوند. نانو لولههای کربنی تک دیواره و چند دیواره، به علت داشتن خواص مکانیکی و الکترونیکی منحصر به فردشان کاربردهای متنوعی پیدا کردند که از جمله میتوان به استفاده از آنها به عنوان حسگرهایی با دقت بسیار بالا برای تشخیص مواد در غلظتهای بسیار پائین و با سرعت بالا اشاره کرد. به طورکلی، کاربرد نانو لولهها در حسگرها را میتوان به دو دسته تقسیم کرد.

الف - نانولولههای کربنی به عنوان حسگرهای شیمیایی:

این حسگرها میتوانند در دمای سینهکار، غلظتهای بسیار کوچکی از مولکولهای گازی، با حساسیت بسیار بالا را آشکارسازی کنند. حسگرهای شیمیایی، شامل مجموعهای از نانولوله های تک دیواره هستند و میتوانند مواد شیمیایی مانند دیاکسید نیتروژن و آمونیاک را آشکار کنند. هدایت الکتریکی یک نانولوله نیمه هادی تک دیواره که در مجاورت 200 پی پی ام از NO2 قرارداده میشود، میتواند در مدت چند ثانیه تا سه برابر افزایش یابد و به ازای اضافه کردن فقط NH3 %2 دارای میزان هدایت دو برابر خواهد شد. حسگرهای تهیه شده از نانولولههای تک دیواره، دارای حساسیت بالایی بوده و در دمای سینهکار واکنش سریعی دارند.

ب - نانولولههای کربنی به عنوان حسگرهای مکانیکی:

هنگامی که یک نانولوله توسط جسمی به سمت بالا یا پائین حرکت میکند، هدایت الکتریکی آن تغییر مییابد. این تغییر در هدایت الکتریکی، با تغییر شکل مکانیکی نانولوله کاملاًً متناسب است. این اندازهگیری، به وضوح امکان استفاده از نانولوله ها را به عنوان حسگرهای مکانیکی نشان میدهد. یکی از نیازهای مهم و اساسی در ارتباط با کنترل آلودگی محیط زیستی معادن زغالسنگ، پایش مستمر آلودگی هواست. با استفاده از نانوحسگرها، پیشرفت مؤثری در زمینه کنترل آلودگی هوا و کمک به بهبود شرایط ایمنی معادن صورت گرفته است. یکی از این راهکارها، اختراع غبارهای هوشمند میباشد.

غبارهای هوشمند، مجموعهای از حسگرهای پیشرفته به صورت نانو رایانه های بسیار سبک هستند که به راحتی ساعتها در هوای معادن زیرزمینی معلق باقی میمانند. این ذرات بسیار ریز از سیلیکون ساخته میشوند و میتوانند از طریق بیسیم موجود در خود، اطلاعات موجود در خود را به یک پایگاه مرکزی - سطح معادن - منتقل کنند. سرعت این انتقال، حدود یک کیلوبایت در ثانیه است.

هم چنین حسگرهایی از جنس نانولوله های تک لایه ساخته شدهاند که میتوانند مولکولهای گازهای سمی را جذب کنند و همچنین آنها قادر به شناسایی تعداد معدودی از گازهای مهلک موجود در محیط معادن هستند. محققان معتقدند، این نانوحسگرها برای شناسایی گازهای بیوشیمیایی و آلاینده های هوا کاربرد خواهند داشت.[7] در جدول 1 میزان گازخیزی لایههای زغالی معدن پروده I طبس با توجه به عمق بیان شده است.

پیشبینی میشود میزان گازخیزی در معدن تا 3000 لیتر بر ثانیه وجود داشته باشد.